國內(nèi)的無人機集群在編隊表演方面已經(jīng)演繹的淋漓盡致，但是在作業(yè)與軍事上還是鮮有研究，而國外特別是美國直奔戰(zhàn)場而去，并形成了理論。

 

 

       無人機技術(shù)正處于大力發(fā)展階段，單架無人機的系統(tǒng)集成度越來越高，功能也越來越強大。然而，面對日益復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和多樣化的需求，無人機受其自身軟硬件條件的限制，仍有某些局限性：對單架無人機而言，其自身的燃料、重量和尺寸起著重要的限制作用，無法形成持續(xù)有力的打擊力度；受機載傳感器以及通信設(shè)備的限制，單架無人機也無法實現(xiàn)對任務(wù)區(qū)域的多維度、大范圍覆蓋；在執(zhí)行高風(fēng)險任務(wù)時，單架無人機可能因為受到攻擊或自身故障而失效，從而導(dǎo)致任務(wù)系統(tǒng)容錯性不足等等。對小型無人機尤其如此。

 

       為彌補單架無人機的局限性，美國空軍科學(xué)顧問委員會指出，無人機應(yīng)當(dāng)以集群的方式協(xié)同工作，而不是單獨行動。在未來很多應(yīng)用場景中，無人機將體現(xiàn)出多機西戎工作的特點。即由多架相同或不同型號的UAV組成多無人機系統(tǒng)，協(xié)同作業(yè)，共同完成任務(wù)。無人機群，由多種型號的有人或無人機組成的混合集群，甚至無人機與其他有人或無人作戰(zhàn)機器如無人戰(zhàn)斗車輛組成的混合異構(gòu)群組，必然是未來戰(zhàn)爭無人作戰(zhàn)機器的主要作戰(zhàn)形式。這樣，既能最大地發(fā)揮無人機的優(yōu)勢，又能避免由于單架無人機執(zhí)行任務(wù)效果不佳或失敗造成的不良后果，提高任務(wù)執(zhí)行效率，拓展新的任務(wù)執(zhí)行方式，從而達到提高系統(tǒng)可靠性、改善任務(wù)執(zhí)行效果的目的。

 

       多UAV協(xié)同工作的優(yōu)勢主要來源于信息融合和資源互補兩個方面。在多機并行執(zhí)行任務(wù)的過程中，每架無人機收集到的信息都是其各自位置上的局部信息，無人機群眾所有成員的信息又組合成一個信息模型，提供給鞠策系統(tǒng)進行多機系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)分工和調(diào)度，以提高任務(wù)的執(zhí)行效率；且當(dāng)某個成員失效時，能及時更新系統(tǒng)信息，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)成員間的執(zhí)行效果，從而提高系統(tǒng)的可靠性和容錯性；受單機能力和任務(wù)要求的限制，需要多架無人機共同完成某項任務(wù)，或者多機相互配合，以滿足任務(wù)的時間、空間與指標(biāo)優(yōu)化等要求，達到資源和功能互補的效果，如對同一個目標(biāo)依序執(zhí)行確認(rèn)、攻擊和毀傷評估任務(wù)，對同一個執(zhí)行同時性的多角度跟蹤任務(wù)等。

 

       要指派多架UAV協(xié)同執(zhí)行一項任務(wù)，提高任務(wù)的效能，就離不開合理高效的協(xié)同控制手段，必須對多機系統(tǒng)進行合理的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃。它是對多無人機UAV協(xié)同執(zhí)行任務(wù)進行研究的核心，設(shè)計控制理論、運籌學(xué)、決策理論、圖論、信息論、系統(tǒng)論、計算機科學(xué)、榮恭智能、通信理論等多個學(xué)科領(lǐng)域。

 

       在實際任務(wù)的執(zhí)行中、受UAV、任務(wù)要求和環(huán)境因素等的影響與制約，對多UAV進行協(xié)同控制是一個極其復(fù)雜、極具挑戰(zhàn)性的過程，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：

       （1）任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜性：復(fù)雜的對抗性的動態(tài)環(huán)境，可能包含著多種既有的和突發(fā)的威脅、障礙、極端天氣等，而且UAV與系統(tǒng)可能無法獲知或無法及時獲知環(huán)境的全局信息及其變化；

       （2）多無人機系統(tǒng)成員間的差異：UAV數(shù)量以及不同UAV間的運動學(xué)動力學(xué)特性、功能差異、信息收集與處理和通信能力的差異，而且無人機可能在任務(wù)執(zhí)行過程中失效等；

       （3）任務(wù)需求的復(fù)雜性：不同的任務(wù)具有不同的要求，其在作戰(zhàn)目標(biāo)、時序約束、時間沒感性約束、任務(wù)間耦合約束、任務(wù)指標(biāo)等各個方面均可能存在著差異，而且作戰(zhàn)目標(biāo)還可能存在著不確定性，如移動目標(biāo)、目標(biāo)參數(shù)不確定等問題；

       （4）計算復(fù)雜性：在進行協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題研究時，不可避免的會碰到一個NP難題，即隨著問題規(guī)模的線性增長，如無人機數(shù)量、目標(biāo)數(shù)量等，問題的解空間呈指數(shù)級的爆炸式擴張，當(dāng)問題規(guī)模增大時，從這個龐大的解空間中找到最優(yōu)解需要耗費大量的計算，非常困難。當(dāng)任務(wù)的實時性要求較高時，這個矛盾會更突出，甚至?xí)�直接以你選哪個協(xié)同任務(wù)的執(zhí)行效果；

       （5）通信約束的復(fù)雜性：任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜多變就必然會對UAV機群的通信網(wǎng)絡(luò)造成影響，如通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、寬帶受限、通信干擾、通信延時等，甚至可能會出現(xiàn)虛假通信等問題，在考慮到UAV本身的通信設(shè)備性能限制，如通信距離和寬帶等，以及某些任務(wù)可能會要求通信盡可能的少，這極大的增加了多機協(xié)同問題的復(fù)雜程度。

 

       在上述復(fù)雜性的共同作用下，多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題就編程了一個極其復(fù)雜的問題，對該問題進行建模與求解的難度也大大增加。作為無人機技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢，多UAV協(xié)同控制方面的研究方向收到了美國軍方的極大重視，已經(jīng)被美國空軍研究局列為六大基礎(chǔ)研究課題①之一，也成為學(xué)術(shù)界的研究熱點之一。

       注① ：美國空軍研究局六大基礎(chǔ)研究課題：1）靈感來自生物的概念；2）協(xié)同控制；3）等離子體動力學(xué)；4）太空微型科學(xué)；5）量子計算；6）用于可支付得起的新型系統(tǒng)的材料工程學(xué)。

 

       國外研究現(xiàn)狀

 

       為探索多無人機協(xié)同工作的理論與實現(xiàn)機理，國外已經(jīng)開展了大量相關(guān)的研究項目。其中具有代表性的是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）牽頭的自治編隊混合主動控制項目（Mixed Initiative Control of Automata-teams，MICA②）、廣域搜索彈藥項目（Wide Area Search Munitions，WASM）和歐洲信息社會技術(shù)計劃（Information Society Technologies，IST）資助的異構(gòu)無人能及群實時協(xié)同與控制項目（Real-time Coordination and Control of Multiple Heterogeneous UAVs，COMETS③）等。

 

 

       注② ：ＭＩＣＡ 項目的目標(biāo)是，在減少操作員人為干預(yù)的前提下提升無人機的自主與協(xié)同控制能力，涉及的研究內(nèi)容包括無人機自主協(xié)同作戰(zhàn)的分層控制結(jié)構(gòu)、多無人機自主編隊控制方法和無人機協(xié)同作戰(zhàn)的建模與仿真技術(shù)等，參與研究的機構(gòu)包括加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院（ ＭＩＴ ） 以及霍尼韋爾公司（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）等。

 

       注③ ：歐洲COMETS項目是一個多國合作的民用研究項目，其研究對象是一個由包括無人直升機和無人飛艇在內(nèi)的多平臺異構(gòu)無人機群組成的協(xié)同探測與監(jiān)視系統(tǒng)，研究目標(biāo)是為該異構(gòu)多UAV設(shè)計和實現(xiàn)分布式實時控制系統(tǒng)，集成分布式感知與實時圖像處理等技術(shù)，并在森林火災(zāi)監(jiān)視任務(wù)中對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行演示驗證。該項目的相關(guān)結(jié)果已經(jīng)陳列在其官方網(wǎng)站上http://www.comets-uavs.org/），最終成果也已經(jīng)集中出版。